Modelli compartimentali e farmacocinetica.

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1 Modelli compartimentali e farmacocinetica carmelo.demaria@centropiaggio.unipi.it

2 Obie4vi Apprendere le tecniche matema8che per l analisi della cine8ca dei traccian8 u8lizza8 per lo studio di sistemi endocrino- metabolici e del metabolismo d organo

3 Una disciplina ha tanto più la dignità della scienza quanto più fa uso dello strumento matema8co Galileo Galilei Per parlare di matema8ca applicata alla biologia non basta introdurre dei metodi quan8ta8vi nella descrizione dei fenomeni, occorre anche trovare delle connessioni e dei legami di 8po matema8co, ovvero formulare dei modelli che abbiano caraeere predi4vo e servano a risolvere problemi specifici.

4 Esempio Modelli che descrivono il metabolismo del glucosio, il metabolismo dei lipidi e l azione dell insulina che influenza sia il metabolismo del glucosio che quello dei lipidi. Farmacocine8ca

5 Farmacocine8ca La farmacocine8ca studia quan8ta8vamente l'assorbimento, la distribuzione, il metabolismo e l'eliminazione dei farmaci. I farmaci vengono assorbi8, distribui8, metabolizza8 ed elimina8 dall'organismo al quale vengono somministra8 Le velocità di assorbimento, distribuzione, metabolismo ed eliminazione sono determinan8 per gli effe4 di un farmaco. Un insieme di equazioni differenziali può descrivere i tempi e i modi in cui un farmaco viene assorbito, metabolizzato ed eliminato dall'organismo.

6 Costruzione di un modello matema8co Gli elemen8 da tener presente per costruire un modello valido possono essere in prima istanza suddivisi in: Obie4vi Ruolo delle conoscenze teoriche ed empiriche StruEura topologica ed anali8ca del modello Formulazione Iden8ficazione Validazione

7 PERCEZIONE DEL PROBLEMA OBIETTIVI LEGGI TEORIE DATI FORMULAZIONE DEL MODELLO CONCETTUALIZZAZIONE REALIZZAZIONE MATEMATICA VALIDAZIONE DEL MODELLO RISOLUZIONE IDENTIFICAZIONE DEL MODELLO MODELLO UTILIZZABILE

8 Iden8ficazione del modello 1/2 Con il termine iden8ficazione ci si riferisce ai procedimen8 con i quali si determina sia la strueura del modello matema8co, sia il valore dei parametri che in esso figurano, in modo da oeenere la corrispondenza tra il comportamento del modello ed un adeguato complesso di da8 sperimentali.

9 Iden8ficazione del modello 2/2 Le principali fasi del processo di iden8ficazione sono: determinazione della stru0ura del modello, in base alle conoscenze a priori sulle leggi fisico- chimiche che regolano i fenomeni studia8 o in base all esigenza di far corrispondere le soluzioni delle equazioni ai da8 sperimentali, anche senza aeribuire un par8colare significato fisico; proge0o ed esecuzione dell esperimento, quindi applicazione di ingressi e la misura delle uscite, cercando un compromesso opportuno tra significa8vità dell esperimento ai fini dell iden8ficazione e i vincoli di natura e8ca e pra8ca (in par8colare, un iden8ficazione a priori che l esperimento sia o no in grado di fornire i valori incogni8 dai da8 sperimentali, e se eventualmente la s8ma sia unica); s6ma dei parametri, u8lizzando algoritmi idonei e valutando la bontà della s8ma eseguita (accuratezza dei risulta8) nel quadro del problema deeo di iden8ficazione a posteriori; messa a punto e o7mizzazione dell esperimento proge0ato.

10 Validazione del modello È la serie di prove con cui si testa la validità del modello. Il conceeo di validità è molto ampio e richiede un criterio di valutazione. Ma tale criterio, molte volte rischia di essere sogge4vo, sopraeueo nei metri di misura. In linea generale: Criteri interni, basa8 sulle caraeeris8che interne del modello: Coerenza, in base alla quale non si devono presentare contraddizioni logiche, matema8che o fisiche. Validità algoritmica, rela8va all esigenza che le equazioni siano risolvibili in modo efficace e diano risulta8 con la precisione voluta. Criteri esterni, lega8 agli scopi, alle teorie e ai da8 sperimentali: Validità empirica, rela8va alla corrispondenza del comportamento tra sistema e modello Validità teorica, rela8va alla coerenza tra le ipotesi implicite e quelle acceeate. Validità pragma8ca, riferita all efficacia del modello di raggiungere gli obie4vi. Resta comunque complesso definire una misura ogge4va di tale efficacia. Validità euris8ca, rela8va alla capacità del modello di fornire suggerimen8 per l interpretazione dei fenomeni, per la verifica delle ipotesi e l individuazione di nuovi temi di ricerca.

11 StruEura anali8ca del modello Modelli determinis8ci, in cui le variabili di stato ed i parametri sono variabili determinis8che. Modelli stocas8ci, in cui le variabili di stato ed i parametri sono variabili aleatorie o processi stocas8ci. Modelli stocas8ci/determinis8ci, in cui le variabili di stato appartengono alla prima classe e i parametri all altra, o viceversa. Modelli lineari e non, in cui le relazioni tra le variabili sono lineari o meno. Modelli a parametri concentra8, in cui si concentrano le cause e gli effe4 in compar8men8 e si costruiscono le relazioni tra le variabili di tali compar8men8. Modelli a parametri distribui8, in cui cause ed effe4 non possono essere compar8mentalizza8.

12 Modello del metabolismo del glucosio a digiuno

13 Modello del metabolismo del glucosio a digiuno Poiché spesso il sito d interesse non è accessibile, si effeeua un prelievo di sangue (arterioso o venoso) e, tramite modelli matema8ci, si s8mano i parametri d interesse. Produzione di glucosio (input) U8lizzo di glucosio

14 Modello del metabolismo del glucosio a digiuno Dal prelievo di sangue a digiuno misuriamo la concentrazione del glucosio [G]. [G] è funzione sia della produzione (input) che dell u8lizzazione (output). Se sia l input che l output aumentano [G] rimane costante. Quindi la sola conoscenza di [G] non ci permeee di conoscere indipendentemente input e output e abbiamo bisogno di una sostanza che tracci il glucosio senza perturbarne lo stato stazionario.

15 TRACCIANTI

16 Tracciante È una sostanza marcata con un isotopo con le stesse caraeeris8che chimico- fisiche ma diversa massa: 1. si comporta come la sostanza che vogliamo studiare (sost. tracciata) 2. possiamo misurare separatamente il tracciante dalla sost. tracciata

17 Isotopi Gli isotopi (lee. nello stesso luogo) sono atomi dello stesso elemento chimico, e quindi con lo stesso numero atomico (cioè numero di protoni), ma con differente numero di massa, e quindi massa atomica. 1 H Idrogeno p 2 H Deuterio n p 3 H Trizio n n p e e e

18 Isotopi La differenza delle masse è dovuta a un diverso numero di neutroni presen8 nel nucleo dell'atomo. Se 2 nuclei contengono lo stesso numero di protoni, ma un numero differente di neutroni, i due nuclei avranno lo stesso comportamento chimico (con delle minime differenze nei tempi di reazione e nell'energia di legame), ma avranno comportamen8 fisici differen8, essendo uno più pesante dell'altro.

19 Isotopi Possono essere sia stabili che radioa4vi. 1 H Possono essere sia stabili che radioattivi. Idrogeno Massa=1 p 2 H Deuterio Massa=2 n p 3 H Trizio Massa=3 n n p e e e

20 Breve richiamo Atomic number (Z) = number of protons in nucleus Mass number (A) = number of protons + number of neutrons = atomic number (Z) + number of neutrons Mass Number Atomic Number A Z X Element Symbol

21 Isotopi radioa4vi La radioa4vità è causata dal rilascio spontaneo di par8celle e/o energia eleeromagne8ca dal nucleo di un atomo. La radioa4vità risiede nei NUCLEI INSTABILI. Nucleo decade con EMISSIONE DI RADIAZIONI. I traccian8 radioa4vi si caraeerizzano per sviluppare un processo di decadimento con disintegrazione e produzione di nuovi elemen8. Nel corso della disintegrazione vengono emesse radiazioni, la cui misura permeee di seguire lo svolgersi dei processi in aeo. La radioa4vità è misurata in: disintegrazioni/tempo. L unità standard sono i bequerel (Bq), corrispondente ad 1 decadimento per secondo Un altra unità di misura è il curie (Ci), equivalente a 3.7 x disint./sec.

22 Proprietà dei radioisotopi Tipo di emissione Emivita Energia di emissione

23 Tipi di emissione Par8celle α: nuclei di elio (isotopi pesan8; Z>82) Par8celle β: negatroni (eleeroni) o positroni Raggi γ: radiazioni eleeromagne8che derivate da riarrangiamen8 nucleari

24 Velocità del decadimento radioa4vo Il decadimento segue una cine8ca di I ordine: - dn(t)/dt = λn λ = costante di decadimento Integrando: ln N(t)/No = - λt In pra8ca la velocità di decadimento è espressa come emi- vita o tempo di dimezzamento t 1 2, cioè il tempo necessario perché l a4vità decada del 50 %: ln0.5=- λt log 10 2 = λt 1 2 t 1 2 = 0.693/λ

25 Emivita

26 Capacità di penetrazione

27 Radioisotopi in medicina 24 Na, t 1 2 = 14.8 hr, β emieer, blood- flow tracer 131 I, t 1 2 = 14.8 hr, β emieer, thyroid gland ac8vity 123 I, t 1 2 = 13.3 hr, γ ray emieer, brain imaging 18 F, t 1 2 = 1.8 hr, β + emieer, positron emission tomography 99m Tc, t 1 2 = 6 hr, γ ray emieer, imaging agent

28 Reazioni Chimiche vs Nucleari Reazioni Chimiche Gli atomi sono riarrangia8 aeraverso la roeura e la formazione di legami chimici Solamente gli eleeroni negli orbitali atomici o molecolari sono coinvol8 nella formazione o nella roeura dei legami Le reazioni sono accompagnate dall assorbimento o dal rilascio di una piccola quan8tà di energia La velocità di reazione sono influenzate da temperatura, pressione, concentrazione e catalisi Reazioni Nucleari Gli elemen8 (o gli isotopi di uno stesso elemento) vengono conver88 uno nell altro Protoni, neutroni, eleeroni ed altre par8celle elementari possono essere coinvol8 Le reazioni sono accompagna8 dall assorbimento o dal rilascio di una grande quan8tà di energia La velocità di reazione è normalmente non influenzata da temperatura, pressione e catalisi

29 Isotopi maggiormente u8lizza8 nella ricerca biologica Common Stable 1 H Rare stable 2 H (0.02%) Radioactive 3 H 12 C 13 C (1.1%) 14 C 14 N 16 O 15 N (0.37%) 18 O (0.04%) * *

30 Isotopi stabili vs radioa4vi Isotopi stabili Sicuri, non tossici Possono essere u8lizza8 in neona8, bambini e donne in gravidanza Diversi traccian8 possono essere u8lizza8 contemporaneamente in studi ripetu8 Il costo di alcuni traccian8 è davvero elevato È necessaria una grande quan8tà di tracciante (elevato rumore di fondo) AErezzature costose, personale tecnico qualificato Isotopi radioa7vi Radiazioni ionizzan8 Non posso essere u8lizza8 in tuea la popolazione Limitazioni nel numero di traccian8 e in studi ripetu8 Non esistono isotopi a lunga vita per O e N Non ci sono problemi di rumore di fondo, è necessaria una piccola quan8tà di tracciante AErezzature semplici e poco costose

31 Tracciante È una molecola in cui uno o più atomi sono sta8 sos8tui8 ( marca8 ) con isotopi e che si comporta come la sostanza che vogliamo studiare (sost. tracciata). Nel caso che il tracciante si compor8 sensibilmente diversamente dalle molecole che sos8tuisce (una massa diversa può influire su velocità di diffusione e di reazione chimica) si parla di effeeo di frazionamento dell isotopo.

32 Tracciante Da notare che le sostanze comunemente elaborate dai sistemi biologici sono in mol8 casi ognuna già una mistura di isotopi, anche se uno di essi è presente in quan8tà percentuale molto maggiore. Nell uso dei traccian8 non si fa quindi altro che aumentare la percentuale di uno degli altri isotopi, così da permeeere una più facile analisi dei processi in gioco. Oppure si introduce del tueo un nuovo isotopo.

33 Isotopi stabili nel corpo umano 11.4 kg C 137 g 4.6 g kg g 1.3 kg 5.1 g 14 N N kg H D 1.5 g

34 Esempi tracciante H H H H H CH 2 NH 2 C H COOH L- Phenylalanine 3 H = Tritium 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H CH 2 NH 2 C H COOH L- [ring- 3 H 5 ]Phenylalanine 2 H = D (deuterium) D D D D D CH 2 NH 2 C H COOH L- [ring- 2 H 5 ]Phenylalanine C-4 C-6 C-8 CH 2 C-3 15 NH 2 C-2 C-1 C H COOH L- [2-15 N]Phenylalanine C-4 C-6 C-8 CH 2 C-3 C-2 NH 2 C H 13 COOH C-1 L- [1-13 C]Phenylalanine

35 Come misurare i traccian8 (1/4) Contatori di radioa4vità: Per ionizzazione (contatore Geiger- Muller), Per eccitazione (scin8llatori - gamma counter, beta counter) SpeErometro di massa: massa delle molecole o degli atomi all interno delle molecole dopo combus8one o conversione in gas (CO 2, N 2, H 2 )

36 Come misurare i traccian8 (2/4) Traccian8 radioa4vi I traccian8 radioa4vi si caraeerizzano per sviluppare un processo di decadimento con disintegrazione e produzione di nuovi elemen8. Nel corso della disintegrazione vengono emesse radiazioni, la cui misura permeee di seguire lo svolgersi dei processi in aeo. Unità di misura nella pra8ca: unità di conto/tempo (fornisce la quan8tà di radiazione effe4vamente rilevata). A pari condizioni di emissione, il valore in unita di conto è minore (al massimo uguale) rispeeo quello teorico. Per effeeo della geometria del sistema ricevitore ed altre sostanze presen8, la radiazione rilevabile è minore di quella teorica.

37 Come misurare i traccian8 (3/4) A7vità specifica: radioa4vità/(massa) = unità di conto /(massa tempo) Quan8tà tracciante: quan8tà minima di tracciante da immeeere, che permeee: di studiare 1 o più compar8men8. di essere piccola abbastanza da creare il minimo disturbo al sistema (in par8colare per le radiazioni emesse). Nella pra8ca si opera con quan8tà inferiori al 1%.

38 Come misurare i traccian8 (4/4) Traccian6 stabili Non emeeono radiazioni, per cui sono rileva8 in base a misure legate alla differenza di massa con analoghi isotopi più comuni. Unità di misura: molecole marcate/ totale molecole d interesse presen8 (altre unità di misura sono comunque usate). A4vità specifica: molecole marcate/ totale molecole d interesse presen8/massa (altre unità di misura coincidono direeamente con a.s.) Essendo il metodo di misura meno sensibile di quello usato per i traccian8 radioa4vi, è necessario impiegare una maggiore quan8tà di tracciante, per altro permessa dalla minore pericolosità.

39 U8lizzo di isotopi in studi del metabolismo umano Principio di diluizione del tracciante Modelli sta8ci Modelli dinamici Add known amount of tracer.. Mix and take small sample Infuse tracer with enrichment E i at a constant rate of i µmol/kg.min Tracer enrichment Plateau enrichment..and measure tracer/tracee ratio time E p..to unknown amount tracee Measure tracer enrichment

40 MODELLI NON- COMPARTIMENTALI

41 Approccio non compar8mentale Nessuna assunzione circa la distribuzione della sostanza all interno del corpo Conoscenza descri4va tra riguardo il tracciante (farmaco) Scarsa correlazione rispeeo alle specifiche funzioni di un organo La mancanza di assunzioni a priori consente di minimizzare gli eventuali bias dovute alla modellazione Descrizione dei da8 sperimentali tramite delle curve esponenziali

42 Esperimento Bolo di sostanza

43 Approccio non compar8mentale Da8 no8: Dose Osservare: C max (concentrazione massima) e T max (istante a cui si verifica la concentrazione massima) Calcolare: AUC (Area under curve - area soeo la curva; aeraverso la regola dei trapezi oppure integrando una curva teorica (es. esponenziali) che descrive i da8 sperimentali) k (elimina8on rate) Volume di distribu8one Clearance T 1/2

44 Area soeo la curva Metodo dei trapezi

45 Area soeo la curva 0 ) ( 0 > = k e C t C t k k C AUC e k C e k C dt e C dt t C t t k t t k t k ) ( = = = = Generalizzazione per curve a più esponenziali

46 Clearance Volume dal quale il farmaco viene rimosso in una data unità di tempo (volume / tempo) E una costante rispeeo alla dose e al tempo Può essere calcolato da: Excre8on rate (Rd) / Concentra8on (mg/min) / (mg/ml) = ml/min Dose / AUC (mg) / (mg/ml*min) = ml/min

47 Clearence La Clearance NON è un conceeo di eliminazione Collega la concentrazione con la velocità di eliminazione Elimination rate (Rd)= Concentrat x Clearance mg\min mg/ml ml/min L unità di misura dell elimina8on rate è massa per unità di tempo (mg/min) L unità di misura della Clearance è volume per unità di tempo (ml/min)

48 Volume di distribuzione V d lega la concentrazione della sostanza alla quan8ta di sostanza (A) (tracciante/ farmaco) presente nel corpo A=CxV d V d una costante rispeeo alla dose e al tempo V d =[Dose/(AUC 0- *k)]=cl/k Se diamo un bolo, la concentrazione estrapolata al tempo 0: C 0 =Dose/V d

49 Tempo medio di residenza Mean Residence Time (MRT) Tempo che mediamente una molecola di farmaco trascorre all interno del corpo MeEe in relazione la clearence con il volume di distribuzione MRT=V d /CL

50 MODELLI COMPARTIMENTALI

51 Modelli compar8mentali I modelli compar8mentali traggono il loro nome dalla scomposizione del sistema in varie par8 (compar8men8). Per compar8mento si intende un insieme di materia che per l organismo si comporta in maniera omogenea (sia dal punto di vista della distribuzione che del comportamento cine8co all interno del compar8mento). L approccio prevede l impiego di n variabili funzioni del tempo e legate da equazioni differenziali ordinarie. Tali equazioni vengono scriee a par8re da un unico conceeo base: il rispeeo della conservazione della massa.

52 I compar8men8 I compar8men8 sono volumi ideali, non necessariamente volumi reali, nei quali la sostanza (e il tracciante o il farmaco) entra, si distribuisce, esce. Un compar8mento può essere un insieme di tessu8 differen8 che possiedono un affinità per il farmaco e una perfusione sanguigna molto simile. Il numero di compar8men8 si stabilisce in base alla differenza piu o meno elevata che c è tra una costante di velocità e l altra. Il modello cine8co che ricorre piu spesso e il piu semplice e il modello mono- compar8mentale aperto.

53 Modello mono compar8mentale

54 Modello mono compar8mentale Assunzioni: Il corpo cos8tuisce un unico processo Miscelamento istantaneo Il tracciante (farmaco) si miscela istantaneamente nel sangue o nel plasma Un compar8mento Il tracciante (farmaco) che si trova nel sangue (plasma) è in equilibrio rapido con il tracciante (farmaco) che si trova nei tessu8 extravascolari. Modello lineare L eliminazione del farmaco segue una cine8ca del primo ordine

55 Modello monocompar8mentale Calcolare la cine8ca di un substrato significa determinare la velocità di comparsa (rate of appearance, Ra) di un substrato e, perlomeno nello stato stazionario, la velocità di scomparsa dello stesso (rate of disappearance, Rd). Possono inoltre essere deriva8 altri parametri come l emivita, il tempo medio di residenza e la clearance.

56 Modello monocompar8mentale Andamento del tracciante durante un esperimento di infusione con8nua tempo

57 Modello monocompar8mentale Andamento del tracciante durante un esperimento di infusione con8nua Vedi dispense per gli esperimen8 di infusione con8nua, bolo, e primed constant infusion